Un nuevo método de imágenes hace que los microbots aplicados a la medicina sean visibles en el cuerpo

2. Junio 2022

Los microrobots tienen el potencial de revolucionar la medicina. Investigadores del Centro Max Planck para Sistemas de Aprendizaje han desarrollado una técnica de imagen que por primera vez reconoce a microrobots del tamaño de una célula de manera individual  y a alta resolución en un organismo vivo. Este es un paso importante hacia el control preciso de los robots y su traducción clínica.

¿Cómo se puede extraer un coágulo de sangre del cerebro sin ninguna intervención quirúrgica importante? ¿Cómo se puede administrar un medicamento con precisión en un órgano enfermo que es difícil de alcanzar? Esos son solo dos ejemplos de las innumerables innovaciones previstas por los investigadores en el campo de la microrobótica médica. Los pequeños robots prometen cambiar fundamentalmente los tratamientos médicos futuros: un día, podrían moverse a través de la vasculatura del paciente para eliminar neoplasias malignas, combatir infecciones o proporcionar información diagnóstica precisa de manera completamente no invasiva. En principio, según argumentan los investigadores, el sistema circulatorio podría servir como una ruta de entrega ideal para los microrobots, ya que llega a todos los órganos y tejidos del cuerpo.

Seguimiento de microrobots circulantes por primera vez

Diseño de microrobots y procedimiento experimental de seguimiento optoacústico y manipulación magnética.Esquemas que representan la composición del recubrimiento de los microrobots magnéticos de tamaño microcapilar utilizados en este estudio. Los microrobots fueron recubiertos con una capa de 120 nm de Ni, una capa de 50 nm de Au y una capa liposomal de ICG (Lipo-ICG). El recubrimiento de Ni permitió la manipulación magnética de los microrobots. Se utilizaron recubrimientos Au y Liposome ICG para mejorar el contraste OAT. (Arriba a la derecha) Una imagen de microscopio de contraste de interferencia diferencial de campo brillante (DIC) de los microrobots Janus de 5 μm de diámetro. El recubrimiento de estreptavidina necesario para unir Lipo-ICG a los microrobots está indicado por el código de color rojo presente en la imagen del microscopio de filtro de tetrametil rodamina isotiocianato (TRITC) Aumentar imagen
Diseño de microrobots y procedimiento experimental de seguimiento optoacústico y manipulación magnética.
Esquemas que representan la composición del recubrimiento de los microrobots magnéticos de tamaño microcapilar utilizados en este estudio. Los microrobots fueron recubiertos con una capa de 120 nm de Ni, una capa de 50 nm de Au y una capa liposomal de ICG (Lipo-ICG). El recubrimiento de Ni permitió la manipulación magnética de los microrobots. Se utilizaron recubrimientos Au y Liposome ICG para mejorar el contraste OAT. (Arriba a la derecha) Una imagen de microscopio de contraste de interferencia diferencial de campo brillante (DIC) de los microrobots Janus de 5 μm de diámetro. El recubrimiento de estreptavidina necesario para unir Lipo-ICG a los microrobots está indicado por el código de color rojo presente en la imagen del microscopio de filtro de tetrametil rodamina isotiocianato (TRITC)
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"Antes de que este escenario futuro se convierta en realidad y los microrobots se utilicen realmente en humanos, la visualización y el seguimiento precisos de estas pequeñas máquinas son absolutamente necesarios", dice Paul Wrede, quien es becario doctoral en el Centro Max Planck para Sistemas de Aprendizaje. "Sin imágenes, la microrobótica es esencialmente ciega", agrega Daniel Razansky, profesor de imágenes biomédicas en ETH Zurich y la Universidad de Zurich y miembro del CLS. "Las imágenes en tiempo real y de alta resolución son, por lo tanto, esenciales para detectar y controlar microrobots del tamaño de una célula en un organismo vivo". Además, la obtención de imágenes también es un requisito previo para monitorear las intervenciones terapéuticas realizadas por los robots y verificar que hayan llevado a cabo su tarea según lo previsto. "La falta de capacidad para proporcionar retroalimentación en tiempo real sobre los microrobots fue, por lo tanto, un obstáculo importante en el camino hacia la aplicación clínica".

Junto con Metin Sitti, un experto en microrobótica líder en el mundo que también es miembro de CSA como Director en el Instituto Max Planck de Sistemas Inteligentes (MPI-IS) y Profesor de Inteligencia Física de ETH, y otros investigadores, el equipo ahora ha logrado un avance importante en la fusión eficiente de microrobótica e imágenes. En un estudio recién publicado en la revista científica Science Advances, lograron por primera vez detectar y rastrear claramente pequeños robots de tan solo cinco micrómetros en tiempo real en los vasos cerebrales de ratones utilizando una técnica de imagen no invasiva.

Los investigadores utilizaron microrobots con tamaños que oscilan entre 5 y 20 micrómetros. Los robots más pequeños son aproximadamente del tamaño de los glóbulos rojos, que tienen de 7 a 8 micrómetros de diámetro. Este tamaño hace posible que los microrobots inyectados por vía intravenosa viajen incluso a través de los microcapilarios más delgados en el cerebro del ratón.

Los investigadores también desarrollaron una tecnología de tomografía optoacústica dedicada para detectar realmente los pequeños robots uno por uno, en alta resolución y en tiempo real. Este método de imagen único permite detectar los pequeños robots en regiones profundas y difíciles de alcanzar del cuerpo y el cerebro, lo que no habría sido posible con la microscopía óptica o cualquier otra técnica de imagen. El método se llama optoacústico porque la luz es emitida y absorbida por el tejido respectivo. La absorción produce pequeñas ondas de ultrasonido que se pueden detectar y analizar para dar como resultado imágenes volumétricas de alta resolución.

Robots con cara de Janus con capa de oro

Para hacer que los microrobots fueran altamente visibles en las imágenes, los investigadores necesitaban un material de contraste adecuado. Para su estudio, por lo tanto, utilizaron microrobots esféricos basados en partículas de sílice con un recubrimiento llamado tipo Janus. Este tipo de robot tiene un diseño muy robusto y está muy bien calificado para tareas médicas complejas. Lleva el nombre del dios romano Jano, que tenía dos caras. En los robots, las dos mitades de la esfera están recubiertas de manera diferente. En el estudio actual, los investigadores recubrieron una mitad del robot con níquel y la otra mitad con oro.

"El oro es un muy buen agente de contraste para las imágenes optoacústicas", explica Razansky, "sin la capa dorada, la señal generada por los microrobots es demasiado débil para ser detectada". Además del oro, los investigadores también probaron el uso de pequeñas burbujas llamadas nanoliposomas, que contenían un tinte verde fluorescente que también servía como agente de contraste. "Los liposomas también tienen la ventaja de que puede cargarlos con medicamentos potentes, lo cual es importante para futuros enfoques de administración dirigida de medicamentos", dice Wrede, el primer autor del estudio. Los usos potenciales de los liposomas se investigarán en un estudio de seguimiento.

Además, el oro también permite minimizar el efecto citotóxico del recubrimiento de níquel; después de todo, si en el futuro los microrobots van a operar en animales vivos o humanos, deben hacerse biocompatibles y no tóxicos, lo que es parte de una investigación en curso. En el presente estudio, los investigadores utilizaron níquel como medio de accionamiento magnético y un simple imán permanente para tirar de los robots. En estudios de seguimiento, quieren probar las imágenes optoacústicas con manipulaciones más complejas utilizando campos magnéticos giratorios.

"Esto nos daría la capacidad de controlar y mover con precisión los microrobots incluso en sangre que fluye fuertemente", dice Metin Sitti. "En el presente estudio nos centramos en visualizar los microrobots. El proyecto fue tremendamente exitoso gracias al excelente entorno de colaboración en el CLS que permitió combinar la experiencia de los dos grupos de investigación en MPI-IS en Stuttgart para la parte robótica y ETH Zurich para la parte de imágenes", concluye Sitti.

 
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